Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы неуклонно растет интерес к исследованию многослойных структур, состоящих из различных по своим электрическим характеристикам слоев, среди которых присутствуют слои из сегнетоэлектрических материалов. Такие структуры перспективны для создания элементов энергонезависимой памяти, миниатюрных фазированных антенн, различных датчиков и преобразователей.
Одним из преимуществ таких содержащих сегнетоэлектрические слои структур перед классическими сегнетоэлектрическими материалами является возможность изменения зависимостей их диэлектрических характеристик от температуры, как путем изменения состава этих структур, так и путем изменения толщин входящих в них слоев. Причем, в последнем случае, получаемые материалы должны соответствовать требованиям, предъявляемым к компонентам, используемым в современной электронной технике.
Эти требования, в частности, ограничивают диапазон рабочих напряжений, которые могут использоваться в управляющих цепях электронных устройств, величинами порядка 1 В. При этом, наиболее эффективно использовать сегнетоэлектрические слои толщинами порядка 10-100 нм.
Исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических слоев такой толщины -сегнетоэлектрических тонких пленок, - на сегодняшний день, связано с рядом трудностей. Одна из них проистекает из обратной пропорциональности величины напряженности электрического поля расстоянию между обкладками конденсатора, в который помещается исследуемый образец. Прикладывая к слою толщиной 1000 нм напряжение в 1 В, мы получаем электрическое поле напряженностью 10 кВ/см. Это на четыре порядка больше величины электрических полей, которые принято использовать для определения диэлектрических характеристик сегнетоэлектрических кристаллов.
К сожалению, традиционные импедансные методы исследования диэлектрических свойств не дают возможности заметно, т.е. более, чем на два порядка, снизить величину действующего измерительного напряжения без существенного увеличения стоимости оборудования. Данное обстоятельство приводит к потере эффективности традиционных методов функциональной диагностики сегнетоэлектрических компонент и делает актуальным разработку таких методик исследования диэлектрических свойств сегнетоэлектрических тонких пленок, которые позволяют работать в режиме «отсутствия» внешнего электрического ПОЛЯ.
К таким методам относится «метод тепловых шумов», позволяющий исследовать диэлектрические свойства образцов по их влиянию на плотность шума, зависящего только от температуры электрической цепи. Действующее напряжение таких шумов определяется из теории, созданной Наиквистом, и, в типичных случаях, не превышает величин порядка ЮмкВ.
Таким образом, метод тепловых шумов позволяет проводить исследование диэлектрических свойств сегнетоэлектрических тонких пленок в электрических полях, напряженность которых составляет не более 1 мВ/см, что не превышает напряженности электрических полей, в которых обычно исследуются диэлектрические свойства объемных сегнетоэлектрических кристаллов. Кроме этого данный метод открывает возможность исследования диэлектрических свойств объемных сегнетоэлектриков в диапазоне сверхмалых электрических полей (не более 1 нВ/см), что особенно актуально при исследовании неоднородных сегнетоэлектрических кристаллов.
Цели и задачи работы
Основной целью настоящей работы является создание экспериментальной установки, позволяющей проводить исследования методом тепловых шумов, а также сравнительный анализ данных, полученных методом тепловых шумов и импедансным методом на различных, но близких по своим свойствам образцах объемных кристаллов и сегнетоэлектрических тонких пленок. При этом особое внимание уделяется разработке и созданию автоматизированной экспериментальной установки, позволяющей измерять температурную зависимость спектральной плотности тепловых шумов, а также исследованию с помощью этой установки диэлектрических свойств ряда модельных сегнетоэлектрических кристаллов.
Хотя метод тепловых шумов применяется к исследованию сегнетоэлектрических кристаллов уже более полувека, результаты, полученные разными авторами, содержат целый ряд противоречий, как между собой, так и с результатами, полученными традиционными методами. Одной из задач, поставленной в настоящей работе, является проверка литературных данных, полученных методом тепловых шумов и сравнение результатов, полученных импедансным методом и методом тепловых шумов. Решение этой задачи преследует целью выяснение возможностей метода тепловых шумов при исследовании сегнетоэлектрических материалов. Кроме того, сравнение температурных зависимостей диэлектрической проницаемости, полученных различными методами, позволяет получить информацию о влиянии внешнего периодического электрического поля на диэлектрические свойства сегнетоэлектриков. При этом метод тепловых шумов позволяет определить начальную диэлектрическую проницаемость (initial dielectric permittivity), т.е. диэлектрическую проницаемость в нулевом электрическом поле в доступных частотных и температурных диапазонах.
Другая задача, решаемая в настоящей работе, связана с необходимостью определения таких параметров сегнетоэлектрических кристаллов, как температура фазового перехода и константа Кюри-Вейсса. В литературе присутствуют значительные противоречия, связанные с экспериментальным определением этих параметров для тонких сегнетоэлектрических пленок. При этом метод тепловых шумов ранее не применялся для исследования таких объектов.
Созданная установка, с одной стороны, позволяет отработать методику исследования диэлектрических свойств сегнетоэлектрических материалов в наиболее сложном для исследования температурном диапазоне - в непосредственной окрестности точки сегнетоэлектри-ческого фазового перехода, а, с другой стороны, получить информацию о температуре фазового перехода и константе Кюри-Вейсса и оценить возможные погрешности их значений, связанные с влиянием внешних периодических электрических полей.
Объекты и методы исследования
Исходя из поставленных в работе задач, в качестве объектов исследования были выбраны кристаллы модельных сегнетоэлектриков и тонкие пленки, достаточно подробно описанные в литературе:
1. Объемные кристаллы триглицинсульфата ((КНгСНгСООНЬ H2SO4) (ТГС), испытывающие фазовый переход второго рода.
Кристаллы титаната бария (ВаТіОз), выращенные модифицированным методом Чохраль-ского, испытывающие фазовый переход первого рода близкого ко второму (образцы изготовлены в лаборатории проф. К. Гарланда (МІТ), США).
Кристаллы титаната бария, выращенные методом Ремейки, также испытывающие фазовый переход первого рода близкого ко второму и содержащие значительное количество примесей (образцы изготовлены в лаборатории проф. А.Ю. Кудзина (Днепропетровский государственный университет)).
Поликристаллические тонкие пленки титаната бария толщиной 250-300 нм выращенные методом PLD (Pulsed Laser Deposition) на подложке из плавленого кварца (SiCb) с электродами из золота (Аи) и SrRuCh (со стороны подложки) (образцы изготовлены в лаборатории проф. Й. Уесу (Университет Васеда, Япония)).
Эпитаксиальные тонкие пленки титаната бария толщиной 250-600 нм выращенные методом PLD на подложке из SrTiCh с электродами из золота (Аи) и SrRuCh (со стороны подложки) (образцы изготовлены в Университете Васеда, Япония).
В настоящей работе проведены сравнительные исследования диэлектрической проницаемости вышеперечисленных сегнетоэлектрических объектов традиционным импедансным методом и методом тепловых шумов. Кроме того, проведен элементный анализ объемных кристаллов ВаТіОз с помощью рентгеновского флуоресцентного анализа.
Исследования методом тепловых шумов производились на оригинальной автоматизированной установке, созданной в настоящей работе.
Результаты, полученных данными методиками, анализируются при помощи моделирующей программы, которая позволяет строить расчетные зависимости мнимой части импеданса образца от действительной части, и частотную зависимость напряжения тепловых шумов по заданным параметрам эквивалентной схемы. Кроме того, выделяются эффекты, дающие вклады в суммарный шумовой сигнал. При этом особое внимание уделяется влиянию измерительного напряжения при исследовании традиционным импедансным методом.
Научная новизна
В работе впервые получены следующие результаты:
На основе современных средств автоматизации и среды программирования Lab VIEW создана экспериментальная установка, которая реализует возможность применения метод тепловых шумов для исследования диэлектрических свойств.
Методом тепловых шумов впервые исследованы поликристаллические и эпитаксиальные сегнетоэлектрические тонкие пленки ВаТіОз. При этом обнаружено отличие абсолютных значений эффективной диэлектрической проницаемости полученных импедансным методом и методом тепловых шумов.
В эпитаксиальных сегнетоэлектрических тонких пленках обнаружено отличие между частотными зависимостями максимума емкости, полученными импедансным методом и обнаружен широкий температурный гистерезис, существенно превышающий температурный гистерезис, наблюдаемый при исследованиях импедансным методом.
При исследование методом тепловых шумов объемных кристаллов, обнаружен вклад в суммарный шумовой сигнал от пьзоэлектрических резонансов.
Для кристаллов ТГС получена начальная диэлектрическая проницаемость в непосредственной окрестности точки сегнетоэлектрического фазового перехода, и продемонстриро-
вано влияние измерительного напряжения на диэлектрические свойства сегнетоэлектри-ческого кристалла.
Научная и практическая значимость
Разработанная в диссертационной работе методика дает возможность исследовать диэлектрические свойства сегнетоэлектрических кристаллов и тонких пленок в полях, не превышающих 1 мВ/см. При этом существует возможность получать в процессе измерений сразу весь спектр шумового напряжения. Эти возможности особенно важны при исследовании неоднородных и тонкопленочных образцов.
Полученные результаты исследований диэлектрических свойств сегнетоэлектрических кристаллов и тонких пленок методом тепловых шумов дают информацию о начальной диэлектрической проницаемости, пьезоэлектрических резонансах, о доменной структуре и об эквивалентной схеме образца (как объемного, так и тонкопленочного).
Личный вклад автора
Выбор направления исследований и формулировка задачи проводилась совместно с научным руководителем И.В. Шнайдштейном. В обсуждении результатов и формулировке выводов кроме диссертанта и его научного руководителя принимал участие профессор Б.А. Струков. Диссертантом совместно с научным руководителем была спроектирована и П.С. Бедняковым лично создана экспериментальная установка и получены все экспериментальные и расчетные результаты.
Апробация работы
Материалы диссертации неоднократно обсуждались на заседаниях кафедры общей физики и физики конденсированного состояния физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, докладывались автором на следующих всероссийских и международных конференциях:
VI международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2007);
Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2008" (Москва, 2008);
Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2009" (Москва, 2009);
Втором международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехно-логий (Москва, 2009);
XXII Международной научной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 3 статьи. В диссертацию включены результаты, опубликованные в 2 статьях в российских реферируемых научных изданиях, а также в 9 тезисах докладов на всероссийских и международных научных конференциях.
Структура и объем диссертации
